灌水和放牧对荒漠草原生态系统碳交换的影响*

刘 倩，张方敏**，陈吉泉，赵晓涵，景元书

灌水和放牧对荒漠草原生态系统碳交换的影响*

刘 倩1，张方敏1**，陈吉泉2，赵晓涵1，景元书1

(1. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/江苏省农业气象重点实验室/应用气象学院，南京 210044，中国；2. 密歇根州立大学地理环境空间科学系全球变化观测中心，东兰辛 MI 48825，美国）

依托内蒙古乌兰察布市四子王旗境内短花针茅荒漠草原的10a放牧强度（不放牧、轻度放牧、重度放牧）试验平台，于2012年和2013年在荒漠草原生长季（5−10月），设计放牧嵌套灌水的控制试验，以不灌水和不放牧为对照，研究净生态系统碳交换速率（net ecosystem exchange，NEE）、净生态系统呼吸速率（ecosystem respiration，RE）和总生态系统碳交换速率（gross ecosystem exchange，GEE）对不同水分条件（灌水、非灌水）和不同放牧强度的响应。结果表明：（1）荒漠草原生长季表现为净碳吸收（NEE和GEE<0）。不放牧条件下灌水通过增加土壤体积含水量（soli volumetric water content，Vwc）间接增加RE和生态系统碳吸收（P<0.01），NEE、RE和GEE对灌水带来的土壤水分变化较为敏感。（2）不灌水条件下，NEE、RE和GEE在不同放牧强度处理中的差异并不显著，但8月后放牧带来的ΔNEE和ΔGEE正偏差显著大于8月前的负偏差（P<0.001）。（3）灌水和放牧的交互作用对NEE、RE和GEE均无显著影响，但放牧条件下增加Vwc可以增加生态系统碳吸收和呼吸作用。区分放牧强度时，RE和GEE对Vwc的线性回归模型斜率的绝对值在不放牧时最大（分别为0.26和0.61），说明放牧导致荒漠草原生态系统碳交换对土壤水分变化的敏感性减小。

灌水；土壤体积含水量；放牧强度；荒漠草原；生态系统碳交换

陆地生态系统作为人类居住环境和活动的主要场所，其碳贮存量约为大气碳库的2倍，在全球碳循环中起着至关重要的作用[1−2]。草原是中国最大的陆地生态系统，约占全国土地面积的40%[3]，研究显示，中国草地植被是一个巨大的碳汇，草地和灌丛碳吸收量占全国陆地生态系统碳吸收总量约3/4[4]。荒漠草原占内蒙古草地总面积的10.7%，其中短花针茅草原占荒漠草原总面积的11.2%[5]，属于草原区向荒漠区过渡的荒漠草原生态系统类型，对荒漠草原生态系统的物质交换和能量分配影响很大。由于荒漠草原降水量少，植物种类单一，草层较为矮小稀疏，处于一个生态环境的脆弱带，对自然和人类活动的干扰较为敏感，因此该类草原一旦遭到破坏则很难恢复，极易发生荒漠化。

影响荒漠草原碳收支的两大关键因子是水分和放牧。其中放牧是草地生态系统最重要的利用方式之一[6]，放牧管理下的荒漠草原可能对区域气候变化更为敏感[7−9]，然而放牧对荒漠草原生态系统固碳能力的影响并无统一定论[10]。过度放牧等不合理的畜牧业活动导致了中国北方大面积草地退化[11−12]，但Hafner等[13]通过13CO2脉冲标记方法得出适度放牧对西藏山区牧场碳汇有促进作用。除了人类活动的干扰，生长季缺水是限制荒漠草原生态系统碳汇的最主要环境因子[14]。Thomey等[15]认为水分胁迫下的生态系统可能对降水方式的改变反应高度敏感，增加降水变率会减少土壤湿度压力，并增加干旱地区生态系统的初级生产力和土壤呼吸；Conant等[16]表明草地管理措施如灌溉等可以使草地由碳源变为碳汇。有关放牧管理下荒漠草原碳交换的研究报道很多，但灌水和放牧对荒漠草原碳交换的综合影响研究则略显不足。本研究利用内蒙古农牧区科学院的放牧试验平台，通过改变灌水量和放牧强度的控制实验，研究灌水和放牧对荒漠草原碳交换的影响，以期为放牧和灌水方式提出行之有效的措施和依据，同时为预测荒漠草原对气候变化和人类活动的响应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古乌兰察布市四子王旗境内的农牧业科学院放牧实验站（41°47' N，111°53' E，海拔1450m），属于干旱荒漠短花针茅草原。四子王旗地处中温带大陆性季风气候区，属于偏暖的干旱气候。此类草原生态系统水热条件表现为雨热同期，多年平均降水量230mm，主要集中在5−8月，多年平均气温3.6℃，无霜期为175d。气温和降水量数据来源于中国气象数据网http://data.cma.cn/。

1.2 样地设置

试验于2012−2013年在放牧平台的9个小区进行，在2012年试验开始时，该放牧平台已有10a的放牧史[14,17]。2004−2013年，每年5月1日开始放牧，10月31日结束，放牧时间为6个月。每日8：00出牧，18：00归牧，一天饮水两次。每个小区每年放牧绵羊数固定。放牧处理采用随机区组设计，每个小区面积约4hm2，分别设置不放牧（对照，CK）、轻度放牧（light grazing，LG，0.93只羊×hm−2）和重度放牧（heavy grazing，HG，2.71只羊×hm−2）共3个放牧水平，每个处理3个重复，共9个样区。2012年在小区内采用嵌套划区设计灌水处理：在每个试验小区内，用围栏围起9m×10m的面积（防止外部羊群干扰），在每个围栏内，分别设4个1m×1m的样方，样方间距为1m，随机选择一半样方进行灌水处理，另一半不灌水。2012年和2013年5−8月通过人工洒水的方式每两周灌水一次，每次灌5mm，9−10月上旬每周灌水一次，每次10mm，试验期间每个灌水样方的总灌水量为70mm，约为该荒漠草原年降水量的30%。3个放牧水平和2个灌水水平形成6个处理，每个放牧水平3个重复，每个灌水水平2个重复，即每个处理6个重复，共36个样方。不同处理及其代码如表1所示。

表1 试验处理

1.3 项目测定

采用LI-840 CO2/H2O红外分析仪（LI-COR，Lincoln，USA）进行生态系统碳交换测定。选择灌水后2～3d的晴天，于8：00−10：00进行，每月测定3～4次。在每个小区设置4个永久不锈钢底座（底座规格0.5m×0.5m×10cm），测定前一周将其分别埋入4个样方（2个灌水处理和2个不灌水处理）的中心，从而避免干扰。静态箱（0.5m×0.5m×0.5m）由透明有机玻璃构成，箱体内配有2个风扇，使箱内气体充分混匀。测量分两个过程：净生态系统碳交换速率（net ecosystem exchange，NEE）和净生态系统呼吸速率（ecosystem respiration，RE）的测定。NEE测定前，抬起静态箱使箱内空气与周围大气一致；测量时，将透光性高的静态箱放置在不锈钢底座上，保持整个箱子密闭状态，开始测定箱内气体浓度变化，测定时间至少2min。NEE测量结束后，抬起箱子并排空箱内气体，然后在箱子外盖上黑色不透光的布罩测定RE。每次测量时，同时使用便携式TDR-300（USA）在底座外附近测量10cm土壤体积含水量（volumetric water content，Vwc）。

为了保证数据的准确，选择测定中间40s时段的数据变化来计算NEE或RE，即[18]

式中，Fc表示不同条件下测定的碳通量（μmol·m−2·s−1），指NEE（透光测定）或RE（遮光测定）；V表示静态箱体积（m3），Pav表示平均气压（kPa），Wav表示水的平均摩尔百分比（mmol·mol−1），R表示理想气压值（8.314J·mol−1·K−1），S为底座面积（25m2），Tav为箱内平均空气温度（℃），dc/dt表示CO2浓度随时间变化线性关系的斜率。根据NEE和RE的测定值，按式（2）计算总生态系统碳交换速率（gross ecosystem exchange，GEE）[19]，负值表示生态系统为净碳吸收。

1.4 数据处理

用相对偏差（Δ）表示不同放牧和水分处理与对照处理（不放牧，不灌水）的差异，即

运用SPSS19.0分别以灌水和放牧为单因素，荒漠草原生态系统碳交换（NEE、RE、GEE）和环境要素（Vwc）为因变量进行单因素方差分析，探讨放牧管理和灌水处理对生态系统碳交换的驱动强度。再以灌水处理和放牧强度为固定因素，基于一般线性模型分析放牧强度和灌水处理两因素对生态系统碳交换速率的贡献强度。采用Pearson相关系数分析NEE、RE和GEE与Vwc的相关程度。同时，采用线性回归分析建立NEE、RE和GEE与Vwc的模型方程，探讨放牧和灌水对生态系统碳交换速率的综合影响。

2 结果与分析

2.1 灌水单因素对荒漠草原生态系统碳交换的影响

由图1可见，不放牧条件下，灌水和不灌水处理中荒漠草原生长季净生态系统碳交换速率（NEE）和总生态系统碳交换速率（GEE=NEE-RE）均为负值，表明此时生态系统为净碳吸收即碳汇。从历次观测结果的绝对值看（图1a、c），灌水处理中NEE和GEE的绝对值多大于不灌水处理，且差异极显著（P<0.01），说明不放牧条件下灌水后生态系统的碳吸收速率明显增高，且生态系统呼吸速率也明显增加（P<0.01）（图1b）。

图1 两个试验年度不放牧条件下灌水（CK1）与不灌水（CK0）处理中生长季净生态系统碳交换速率（NEE）、生态系统呼吸速率（RE）和总生态系统碳交换速率（GEE）的变化过程

注：短线表示均方误。下同。

Note: The short lines are mean square error. The same as below.

进一步分析灌水处理中各观测量与不灌水处理中的偏差情况，结果见图2。由图可见，在两年试验过程中，灌水处理土壤体积含水量（Vwc）一直明显高于或等于不灌水处理（ΔVwc最小值为0，P<0.01），说明灌水处理土壤湿度优于不灌水处理。并且ΔVwc值即土壤湿度差异大的时段，灌水处理中NEE、RE和GEE与不灌水处理中的相对偏差值也相对较大，反之，ΔVwc值小的时段，其它指标的偏差也相对较小，说明NEE、RE和GEE对灌水带来的土壤水分变化较为敏感。

2.2 放牧单因素对荒漠草原生态系统碳交换的影响

由图3可见，不灌水条件下，不放牧、轻度放牧和重度放牧处理中荒漠草原生长季净生态系统碳交换速率（NEE）大部分为负值（NEE最大值为0.4），总生态系统碳交换速率（GEE=NEE−RE）均为负值，表明此时生态系统为净碳吸收即碳汇。单因素方差分析结果表明，不灌水条件下，NEE、RE和GEE在不同放牧强度处理中的差异并不显著（P>0.05），说明两个试验年度不灌水条件下，放牧强度对荒漠草原生态系统碳交换速率并无影响。

图2 两个试验年度不放牧条件下灌水与不灌水处理中生长季NEE、RE、GEE和土壤体积含水量（Vwc）的相对偏差

图3 两个试验年度不灌水条件下不放牧（CK0）、轻度放牧（LG0）与重度放牧（HG0）处理中生长季NEE、RE和GEE的变化过程

进一步分析放牧处理中各观测量与不放牧处理中的偏差情况，结果见图4。由图可见，6月和7月放牧处理（轻度放牧和重度放牧）相对不放牧处理（CK）时的相对偏差ΔNEE和ΔGEE为负值，8月ΔNEE和ΔGEE逐渐趋近于0，9月和10月相对偏差（ΔNEE和ΔGEE）为正。单因素方差分析结果表明，放牧处理相对不放牧处理的ΔNEE和ΔGEE时间差异是极显著的（P<0.001），8月后放牧带来的ΔNEE和ΔGEE正偏差显著大于8月前的负偏差（P<0.001），但生态系统呼吸速率RE的相对偏差大部分时段为负值。

图4 两个试验年度不灌水条件下轻度放牧与不放牧（a）、重度放牧与不放牧（b）处理中生长季NEE、RE和GEE的相对偏差

2.3 灌水和放牧两因素对荒漠草原生态系统碳交换的综合影响

荒漠草原生态系统碳交换速率（NEE、RE和GEE）与灌水和放牧强度的一般线性模型表明，灌水且放牧条件下，灌水处理对NEE、RE和GEE均有显著影响（P<0.05），放牧处理只对RE有显著影响（P<0.05），灌水和放牧的交互作用对NEE、RE和GEE均无显著影响（表2）。

灌水可以增加土壤含水量（Vwc），因此进一步分析灌水且放牧条件下，Vwc对NEE、RE和GEE的影响，结果见图5。不区分放牧强度的相关分析表明，在两年试验过程中，Vwc与NEE和GEE呈极显著负相关（P<0.001），Vwc与RE呈极显著正相关（P<0.001），说明放牧条件下增加土壤含水量可以增加生态系统碳吸收，同时也会增大生态系统呼吸。

表2 灌水和放牧处理对NEE、RE和GEE的交互作用

区分放牧强度时，建立NEE、RE和GEE对Vwc的线性回归模型（表3）。由表可见，不同放牧强度时，NEE、RE和GEE均与Vwc呈极显著相关（P<0.001）。NEE和GEE相对Vwc的线性回归方程的斜率均为负值，RE相对Vwc的线性回归方程的斜率均为正值。其中不放牧条件下RE和GEE相对Vwc的线性回归方程斜率的绝对值最大，分别为0.26和0.61，说明不放牧时RE和GEE对Vwc的变化最为敏感，放牧导致荒漠草原生态系统碳交换对土壤水分变化的敏感性减小。

图5 两个试验年度灌水且放牧条件下不同放牧处理时NEE、RE和GEE对Vwc的响应

表3 两个试验年度生长季不同放牧强度时NEE、RE和GEE（y）与Vwc（x）的线性回归模型

3 讨论与结论

3.1 讨论

非生物因素如水热条件等会对生态系统碳交换产生影响[21-21]，土壤CO2通量和生态系统呼吸是陆地生态系统碳循环过程中最为重要的部分，土壤温度和湿度通常被认为是呼吸模型中主要的环境驱动变量[22]。2012年和2013年是湿润年，总降水量分别为360mm和236mm，大于同期30a平均值（230mm）[23−24]，郝彦斌等[25]在研究干旱胁迫对内蒙古锡林河流域羊草草原生长季的碳累积影响时认为，干旱年的土壤含水量大部分低于萎蔫点含水量（12%）。因此，以萎蔫点含水量（12%）为分界线，发现2012年Vwc<12%和≥12%时RE随Ts线性变化的斜率分别为0.068和0.311，2013年线性斜率分别0.177和0.306，说明在特别干旱的条件下，RE对Ts的敏感性降低[26]。研究区生长季Vwc与NEE、RE和GEE显著相关，由此说明，对于水分亏缺的荒漠草原来说，水分仍是影响荒漠草原生态系统碳交换的主要环境因子[27]。韩娟娟等[24]研究放牧对内蒙古温带荒漠草原碳交换影响时也得到类似的结论，2012年8月自然状态下生态系统碳吸收和LAI均大于7月，这是因为受自然降水的影响，8月的土壤含水量大于7月。

高鹏等[28]认为干旱是克氏针茅草原生态系统碳交换的限制因子，并且土壤水分含量与NEE和RE呈明显正相关关系，这与本研究得到的结论一致。Thomey等[15]认为水分胁迫的生态系统对降水方式的改变高度敏感，然而在受到水分胁迫的荒漠草原生态系统，随着放牧强度的增加，同一土壤水分含量时，地上生物量减小，地表植被受到破坏，土壤蒸发增加，土壤表层含水量减少，地上部分生长受到限制进而影响地下根系生长发育，形成恶性循环，因此，放牧反而会使水分胁迫的荒漠草原生态系统碳交换对土壤水分变化的响应减弱。

3.2 结论

放牧嵌套灌水的控制试验表明，荒漠草原生长季表现为净碳吸收。净生态系统碳交换速率（NEE）、生态系统呼吸速率（RE）和总生态系统碳交换速率（GEE）对土壤水分（Vwc）的变化较为敏感，灌水通过增加Vwc间接增加生态系统碳吸收和RE。放牧强度以及灌水和放牧的交互作用对荒漠草原生态系统碳交换速率并无显著影响，但是放牧导致荒漠草原生态系统碳交换对土壤水分变化的敏感性减小。

[1] Cai Z.Greenhouse gas budget for terrestrial ecosystems in China[J].Science China:Earth Sciences,2012,55(2):173-182.

[2] 杨昕,王明星.陆面碳循环研究中若干问题的评述[J].地球科学进展,2001,16(3):427-435.

Yang X,Wang M X.Reviews of several aspects of terrestrial carbon cycling[J].Advance in Earth Sciences,2001,16(3): 427-435.(in Chinese)

[3] 张英俊,杨高文,刘楠,等.草原碳汇管理对策[J].草业学报,2013,22(2):290-299.

Zhang Y J,Yang G W,Liu N,et al.Review of grassland management practices for carbon sequestration[J].Acta Prataculturae Sinica,2013,22(2):290-299.(in Chinese)

[4] 方精云,郭兆迪,朴世龙,等.1981-2000年中国陆地植被碳汇的估算[J].中国科学:地球科学,2007,37(6):804-812.

Fang J Y,Guo Z D, Piao S L,et al.Estimation of carbon sinks of terrestrial vegetation in China from 1981 to 2000[J]. Science in China Press: Earth Science,2007,37(6):804-812.(in Chinese)

[5] 靳宇曦,刘芳,张新杰,等.短花针茅荒漠草原生态系统净碳交换对载畜率的响应[J].生态环境学报,2018,27(4):643-650.

Jin Y X,Liu F,Zhang X J,et al.Responses of net carbon exchange to stocking rate in stipa breviflora desert steppe[J].Ecology and Environment Sciences,2018,27(4): 643-650.(in Chinese)

[6] 李红琴,未亚西,贺慧丹,等.放牧强度对青藏高原高寒矮嵩草草甸氧化亚氮释放的影响[J].中国农业气象,2018, 39(1):27-33.

Li H Q,Wei Y X,He H D,et al.Effects of grazing density on nitrous oxide effluxes in alpine Kobresia humilis meadow on the Qinghai-Tibetan Plateau[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2018,39(1):27-33.(in Chinese)

[7] Wu J,Zhang X,Shen Z,et al.Grazing-exclusion effects on aboveground biomass and water-use efficiency of alpine grasslands on the northern tibetan plateau[J].Rangeland Ecology & Management,2013,66(4):454-461.

[8] Wu J,Zhang X,Shen Z,et al.Grazing-exclusion effects on aboveground biomass and water-use efficiency of alpine grasslands on the northern Tibetan Plateau[J].Rangeland Ecology & Management,2013,66(4):454-461.

[9] Shao C,Chen J,Li L.Grazing alters the biophysical regulation of carbon fluxes in a desert steppe[J].Environmental Research Letters,2013,8(2):1-14.

[10] 邹婧汝,赵新全.围栏禁牧与放牧对草地生态系统固碳能力的影响[J].草业科学,2015,32(11):1748-1756.

Zou J R,Zhao X Q.Effects of livestock exclosure and grazing on carbon sequestration in grassland ecosystem[J]. Pratacultural Science,2015,32(11):1748-1756.(in Chinese)

[11] 韩其飞,罗格平,李超凡,等.放牧对新疆草地生态系统碳源/汇的影响模拟研究[J].生态学报,2017,37(13):4392-4399.

Han Q F,Luo G P,Li C F,et al.Modeling the grazing effect of grassland on the carbon source/sink in Xinjiang[J].Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4392-4399.(in Chinese)

[12] 孙殿超,李玉霖,赵学勇,等.围封和放牧对沙质草地碳水通量的影响[J].植物生态学报,2015,39(6):565-576.

Sun D C,Li Y L,Zhao X Y,et al.Effects of enclosure and grazing on carbon and water fluxes of sandy grassland[J].Chinese Journal of Plant Ecology,2015,39(6): 565-576.(in Chinese)

[13] Hafner S,Unteregelsbacher S,Seeber E,et al.Effect of grazing on carbon stocks and assimilate partitioning in a Tibetan montane pasture revealed by13CO2pulse labeling[J].Global Change Biology,2012,18(2):528-538.

[14] Han J,Chen J,Xia J,et al.Grazing and watering alter plant phenological processes in a desert steppe community[J]. Plant Ecology,2015,216(4):599-613.

[15] Thomey M L,Collins S L,Vargas R,et al.Effect of precipitation variability on net primary production and soil respiration in a Chihuahuan Desert grassland[J].Global Change Biology,2011,17(4):1505-1515.

[16] Conant R T,Paustian K,Ellott E T.Grassland management and conversion into grassland:effects on soil carbon[J]. Ecological Applications,2001,11(2):343-355.

[17] Chen S P,Lin G H,Huang J H,et al.Dependence of carbon sequestration on the differential responses of ecosystem photosynthesis and respiration to rain pulses in a semiarid steppe[J].Global Change Biology,2010,15(10):2450-2461.

[18] 郑佳舜,胡钧铭,韦翔华,等.绿肥压青粉垄保护性耕作对稻田土壤温室气体排放的影响[J].中国农业气象,2019,40(1): 15-24.

Zheng J S,Hu J M,Wei X H,et al.Effect of conservation tillage with smash ridging under green manure condition on the emission of greenhouse gas in the rice field soil [J].Chinese Journal of Agrometeorology,2019,40(1):15-24. (in Chinese)

[19] 郑泽梅,张弥,温学发,等.长白山温带混交林林冠下层CO2通量对生态系统碳收支的贡献[J].生态学报,2009, 29(1):1-8.

Zheng Z M,Zhang M,Wen X F,et al.Contributions of below-canopy CO2fluxes to ecosystem carbon budget of a temperate mixed forest in Changbai Mountain[J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(1):1-8.(in Chinese)

[20] 王学霞,高清竹,干珠扎布,等.藏北高寒草甸温室气体排放对长期增温的响应[J].中国农业气象,2018,39(3):152-161.

WangX X,Gao Q Z,Hasbagan G,et al.Response of greenhouse gases emission fluxes to long-term warming in alpine meadow of northern Tibet[J].Journal of Agrometeorology, 2018,39(3):152-161.(in Chinese)

[21] 郑周敏,罗瑞敏,程积民,等.宁夏云雾山典型草原休眠期气候变化对生产力的影响[J].中国农业气象,2018,39(10): 656-663.

Zheng Z M,Luo R M,Cheng J M,et al.Effects of climate variability during the dormancy period on productivity in typical grassland at Yunwushan in Ningxia[J].Journal of Agrometeorology,2018,39(10):656-663.(in Chinese)

[22] Yang F,Zshou G,Hunt J E,et al.Biophysical regulation of net ecosystem carbon dioxide exchange over a temperate desert steppe in Inner Mongolia,China[J].Agriculture,Ecosystems & Environment,2011,142(3-4):318-328.

[23] Han J,Chen J,Han G,et al.Legacy effects from historical grazing enhanced carbon sequestration in a desert steppe[J].Journal of Arid Environments,2014,107:1-9.

[24] Han J,Li L H,Chu H S,et al.The effects of grazing and watering on ecosystem CO2fluxes vary by community phenology[J].Environmental Research,2016,(144):64-71.

[25] 郝彦宾,王艳芬,崔骁勇.干旱胁迫降低了内蒙古羊草草原的碳累积[J].植物生态学报,2010,34(8):898-906.

Hao Y B,Wang Y F,Cui X Y.Drought stress reduces the carbon accumulation of thesteppe in Inner Mongolia,China[J].Chinese Journal of Plant Ecology, 2010,34(8):898-906.(in Chinese)

[26] Hao Y,Wang Y,Mei X,et al.CO2,H2O and energy exchange of an Inner Mongolia steppe ecosystem during a dry and wet year[J].Acta Oecologica,2008,33(2):133-43.

[27] 彭琴,齐玉春,董云社,等.干旱半干旱地区草地碳循环关键过程对降雨变化的响应[J].地理科学进展,2012,31(11): 1510-1518.

Peng Q,Qi Y C,Dong Y S,et al. Responses of carbon cycling key processes to precipitation changes in arid and semiarid grassland ecosystems[J].Progress in Geography,2012,31(11): 1510-1518.(in Chinese)

[28] 高鹏,李震坤.干旱对克氏针茅草原碳循环的影响[J].环境与发展,2011,23(8):48-56.

Gao P,Li Z K.The drought influence to carbon cycle in stipa krylovll grass[J].Environment and Development,2011,23(8): 48-56.(in Chinese)

Water Manipulations Altered Grazing Effects on Carbon Exchange in a Desert Steppe

LIU Qian1, ZHANG Fang-min1, CHEN Ji-quan2, ZHAO Xiao-han1, JING Yuan-shu1

(1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology/College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China；2. Department of Geography, Environment and Spatial Science and Center for Global Change and Earth Observation, MichiganState University, East Lansing MI 48825, USA)

Based on a long term grazing experiment (10 years) that includes no grazing (CK), light grazing (LG) and heavy grazing (HG) over adesert steppe in Siziwang, Wulanchabu, Inner Mongolia, China, a manipulative experiment of water input was conducted during 2012−2013. The grazing plots were treated as the block factor for nested water treatments. We aimed at exploring the responses of net ecosystem exchange (NEE), ecosystem respiration (RE) and gross ecosystem exchange (GEE) of carbon under two water additions: irrigation vs no-irrigation. We found that: (1) the desert steppe was a net carbon sink. Irrigation indirectly increased RE and the ecosystem carbon sink by elevating soil volumetric water content (Vwc) without grazing (P<0.01). NEE, RE and GEE were found to be more sensitive to Vwc due to irrigation (P<0.001). (2) The differences in NEE, RE and GEE among the grazing treatments were not significant under no-irrigation treatment, whereas positive deviations of ΔNEE and ΔGEE with grazing after August were significantly greater than the negative deviations before August (P<0.001). (3) The interactive contributions from irrigation and grazing treatments produced no significant effect on NEE, RE and GEE, but increased Vwc under grazing that enhanced ecosystem carbon sink and RE. When the grazing intensity was explored, both the magnitudes and changes of RE and GEE with Vwc at grazed sites were higher than those at no grazing plots (0.26 and 0.61, respectively), indicating that grazing resulted in a decrease in the sensitivity of carbon exchange to Vwc.

Irrigation;Soil volumetric water content; Grazing intensity; Desert steppe; Ecosystem carbon exchange

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.12.001

刘倩,张方敏,陈吉泉,等.灌水和放牧对荒漠草原生态系统碳交换的影响[J].中国农业气象,2019,40(12):737-746

2019−05−27

。E-mail：fmin.zhang@nuist.edu.cn

江苏省优秀青年基金项目（BK20170102）；科技部重大研发计划（2018YFC1506606）；中国气象局气候变化专项（CCSF201809）

刘倩（1996−），女，硕士生，主要从事气候变化与碳水循环方面研究。E-mail: liuqiannuist@163.com